萜類化合物是最大的天然產(chǎn)物家族，因其在制藥、香料和生物燃料等行業(yè)的多樣化應用而受到廣泛關注。然而，利用工程細胞工廠有效合成萜類化合物一直受到異戊二烯焦磷酸鹽(IPP)供應有限的阻礙，而異戊二烯焦磷酸鹽是萜類化合物生產(chǎn)的關鍵組成部分?，F(xiàn)在，中國江南大學陳健領導的研究小組取得了一項可能徹底改變萜類化合物生物生產(chǎn)的發(fā)現(xiàn)。
在《工程》雜志上發(fā)表的研究文章中，陳和他的團隊提出了一種解決IPP供應不足挑戰(zhàn)的新方法。通過研究枯草芽孢桿菌(B.subtilis)的代謝通量分布，研究人員發(fā)現(xiàn)中央代謝和IPP生產(chǎn)之間的不平衡是主要瓶頸。為了克服這一障礙，他們設計了一種策略，使用基因編碼的雙輸入多輸出(TIMO)電路來重塑IPP代謝。
TIMO回路對丙酮酸和丙二酰輔酶A做出反應，經(jīng)過精心設計，可以微調(diào)IPP合成的代謝通量。這種重塑方法導致IPP池顯著增加，比原始水平高出四倍。為了驗證其技術的有效性，研究人員應用TIMO電路來提高三種有價值的萜類化合物的產(chǎn)量：甲基萘醌7(MK-7)、番茄紅素和β-胡蘿卜素。
結果令人震驚。MK-7(一種用于預防骨質(zhì)疏松癥、動脈鈣化和帕金森病的萜類化合物)的效價在50L生物反應器中達到了前所未有的1549.6mg/L。這一成就代表了迄今為止報道的MK-7的最高滴度。此外，番茄紅素產(chǎn)量增加了9倍，β-胡蘿卜素產(chǎn)量增加了0.9倍。
“這項研究突破為萜類化合物的高效生物生產(chǎn)開辟了新的可能性，”《工程》雜志編輯趙莎莎說。“TIMO遺傳回路輔助IPP代謝重塑框架為微調(diào)復雜的代謝途徑提供了強大的工具。它有潛力徹底改變各種有價值化學品的生產(chǎn)。”
這項研究的成功不僅證明了TIMO電路在萜類化合物生產(chǎn)方面的潛力，而且凸顯了它們的多功能性和魯棒性。研究人員認為，這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以應用于其他底盤細胞，為重塑IPP代謝提供另一種策略。
這項研究的意義不僅僅局限于萜類化合物的生產(chǎn)。本研究采用的多信號、協(xié)調(diào)、級聯(lián)動態(tài)調(diào)節(jié)策略為復雜代謝途徑的合理和全局微調(diào)奠定了基礎。這一突破可能為各種其他化學品的生產(chǎn)鋪平道路，推動多個行業(yè)的進步。
隨著世界不斷尋求傳統(tǒng)化學合成的可持續(xù)和生態(tài)友好的替代品，這項研究為開發(fā)經(jīng)濟可行且環(huán)境友好的生物生產(chǎn)工藝提供了一條有前途的途徑。
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